Qu’est-ce que le LiDAR ? Fonctionnement, types, précision et usages

Qu’est-ce que le LiDAR

Le LiDAR (de l’anglais Light Detection and Ranging, détection et télémétrie par la lumière) est une technologie qui mesure des distances par impulsions laser : elle chronomètre le temps que met la lumière pour atteindre une surface et revenir. En répétant cette mesure des centaines de milliers de fois par seconde pendant que le faisceau balaie la scène, un capteur LiDAR obtient des millions de points en coordonnées X, Y, Z qui reproduisent la forme réelle d’un bâtiment, d’un terrain ou d’un objet.

C’est donc un système de mesure active : il apporte sa propre lumière et ne dépend ni du soleil ni de la texture de la surface. La NOAA le définit comme une méthode de télédétection qui utilise une lumière laser pulsée pour mesurer des distances, et décrit le système aéroporté comme l’assemblage de trois éléments : le laser, un dispositif de balayage et un récepteur GNSS de précision (complété par une centrale inertielle qui enregistre l’orientation).

On l’écrit de plusieurs façons (LiDAR, LIDAR, lidar), qui désignent la même chose. On parle plutôt de scanner LiDAR pour l’appareil terrestre sur trépied, et de capteur LiDAR pour le module embarqué sur un drone, un avion, une voiture ou un téléphone. Le principe de mesure est identique.

Comment fonctionne un capteur LiDAR

Temps de vol

C’est la méthode la plus répandue. Le capteur émet une impulsion très brève, chronomètre son retour et applique un calcul simple : distance = vitesse de la lumière × temps / 2 (on divise par deux parce que la lumière fait l’aller et le retour). À 15 m, ce trajet dure environ 100 nanosecondes : l’électronique doit donc mesurer des temps avec une précision extrême. Le temps de vol permet de longues portées ; c’est celui des systèmes aéroportés et des scanners terrestres longue portée.

Différence de phase

Certains scanners terrestres n’émettent pas d’impulsions mais une onde continue modulée, et calculent la distance à partir du déphasage entre l’onde émise et l’onde reçue. Ils mesurent plus vite et avec moins de bruit à courte distance, au prix d’une portée réduite. Une étude de l’ISPRS sur le Panthéon royal de Saint-Isidore de León compare les deux principes sur un relevé patrimonial réel.

Longueur d’onde

Le LiDAR topographique travaille généralement dans le proche infrarouge ; le LiDAR bathymétrique utilise une lumière verte, qui pénètre l’eau, pour mesurer le fond des rivières et du littoral (NOAA). En pratique, deux bandes dominent : 905 nm, avec des détecteurs silicium bon marché et compacts, et 1550 nm, qui autorise plus de puissance à sécurité oculaire égale et donc une plus grande portée, avec des détecteurs plus coûteux (Inertial Labs).

Échos multiples

Une impulsion laser n’est pas infiniment fine : elle s’ouvre en un petit cône. Si elle rencontre une couronne d’arbre, une partie de la lumière rebondit sur les feuilles et le reste poursuit jusqu’aux branches ou au sol. Le capteur enregistre chaque écho séparément : le premier écho correspond en général à l’élément le plus haut (canopée, toiture), les échos intermédiaires décrivent la structure de la végétation et le dernier est en général le sol, mais pas toujours : si une grosse branche arrête toute l’impulsion, le dernier écho est la branche. C’est ce qui permet au LiDAR aéroporté de modéliser le terrain sous la forêt, ce que la photographie ne peut pas faire. Outre la position, chaque point conserve l’intensité de l’écho, utile pour distinguer les matériaux.

Les types de LiDAR selon la plateforme

Le principe reste le même ; ce qui change, c’est d’où l’on mesure, et cela détermine la portée, la densité et la précision.

LiDAR aéroporté (avion)

Il mesure des territoires entiers depuis des centaines ou des milliers de mètres d’altitude et sert de base à la cartographie nationale. En France, le programme LiDAR HD de l’IGN couvre le territoire en open data, avec au moins 10 impulsions par m² et 10 cm de précision altimétrique. Il convient au terrain, au contexte et à la planification, pas au relevé d’un bâtiment. Nous le détaillons dans le LiDAR HD de l’IGN.

LiDAR par drone

Le même principe, mais à quelques dizaines de mètres du sol. Il fournit plus d’un million de points par hectare, une précision de 2-3 cm avec RTK ou points d’appui et jusqu’à 600 ha en une journée, et enregistre le terrain sous la végétation. C’est la solution pour la topographie de grandes surfaces, les infrastructures linéaires, les talus ou les carrières : relevé LiDAR par drone.

Scanner laser terrestre (TLS)

Un scanner sur trépied qui mesure station par station, comme celui de la photo d’en-tête. C’est le plus précis : nous travaillons avec une précision nominale de ±2 mm en conditions contrôlées. C’est la référence pour les intérieurs, les façades, la structure, les réseaux techniques et le patrimoine : relevé 3D laser.

LiDAR mobile et SLAM

Le capteur est tenu à la main, porté dans un sac à dos ou monté sur un véhicule, et mesure en continu pendant la marche. L’algorithme SLAM (localisation et cartographie simultanées) calcule la trajectoire à partir du nuage lui-même. C’est bien plus rapide que le trépied sur les longs parcours (galeries, entrepôts, tunnels, ensembles historiques), avec une précision de l’ordre de 1 à 3 cm selon l’équipement, le parcours et les points d’appui.

Autres LiDAR

Le LiDAR bathymétrique relève les petits fonds avec un laser vert ; celui des véhicules autonomes et de la robotique détecte les obstacles en temps réel. Ils ne produisent pas de livrables topographiques, mais partagent le même principe de mesure.

Le LiDAR de l’iPhone et de l’iPad

Les iPad Pro et les iPhone Pro intègrent un capteur LiDAR depuis 2020. D’après Apple, il mesure la distance aux objets jusqu’à environ 5 mètres, en intérieur comme en extérieur. Son rôle principal : améliorer la réalité augmentée, la mise au point en faible lumière et les applications de mesure.

Que mesure-t-il vraiment ? Une étude publiée dans Scientific Reports sur l’iPhone 12 Pro a obtenu environ ±1 cm sur de petits objets (plus de 10 cm de côté) et ±10 cm sur de grands modèles, comme une falaise de 130 m. La densité chute vite avec la distance : d’environ 7 000 points par m² à 25 cm à environ 150 points par m² à 2,5 m.

Notre avis, en toute franchise : il suffit pour mesurer une pièce, faire un croquis, estimer une surface ou documenter rapidement un état. Il ne suffit pas pour un relevé professionnel : la portée est courte, l’erreur s’accumule sur les grands espaces, il n’y a ni consolidation contrôlée ni géoréférencement, et personne ne signe de rapport de précision. Pour un projet, un appel d’offres ou un DOE, il faut un scanner terrestre ou SLAM.

Ce qu’il produit : le nuage de points

Le résultat direct de tout LiDAR est un nuage de points : des millions de mesures avec coordonnées, intensité et, si l’appareil a une caméra, couleur. Une fois consolidé et, si besoin, géoréférencé, c’est sur lui qu’on mesure et qu’on construit tout le reste :

• Modèles de terrain et de surface (MNT, MNS), courbes de niveau et profils.
• Plans de l’existant : plans, coupes et élévations.
• Maquettes BIM de l’existant (Scan to BIM) et jumeaux numériques.
• Mesures de volumes, contrôle de gabarits, suivi de déformations.

Le nuage est livré en formats ouverts : E57, LAS/LAZ et, pour Revit et AutoCAD, RCP. Nous expliquons ce que contient chaque point et chaque format dans qu’est-ce qu’un nuage de points. Pour le partager sans télécharger des gigaoctets, une visionneuse web comme VisionHub l’ouvre dans le navigateur avec la maquette IFC.

Précision : à quoi s’attendre

Voici les ordres de grandeur avec lesquels nous travaillons. La précision réelle de chaque projet dépend de l’équipement, de la consolidation et des points d’appui :

• Scanner terrestre (TLS) : ±2 mm nominal en conditions contrôlées.
• SLAM : de l’ordre de 1 à 3 cm.
• Drone LiDAR : centimétrique, 2-3 cm avec RTK ou points d’appui.
• LiDAR aéroporté national : décimétrique (10 cm en altimétrie pour le LiDAR HD).

Ne confondez pas précision (l’écart entre chaque point et sa position réelle) et densité (le nombre de points par surface). Plus de points montrent plus de détails, mais ne rendent pas le nuage plus précis. Et le chiffre qui compte n’est pas celui de la fiche du scanner, mais celui de l’ensemble consolidé : demandez toujours le rapport de consolidation.

LiDAR ou photogrammétrie

La photogrammétrie produit elle aussi des nuages de points, mais les calcule à partir de photos qui se recouvrent au lieu de les mesurer au laser. Les deux se complètent :

Sur un même projet, il est courant de voler en LiDAR pour le terrain et en photogrammétrie pour l’orthophoto, et de relever les intérieurs au scanner laser terrestre.

À quoi sert le LiDAR

• Architecture et réhabilitation : relevés de l’existant, DOE, patrimoine.
• Ingénierie et infrastructures : routes, voies ferrées, canaux, tunnels, barrages, suivi de déformations.
• Topographie et génie civil : MNT, cubatures, suivi des terrassements.
• Industrie : usines, réseaux et tuyauteries avant une rénovation ou une extension.
• Territoire et environnement : inventaire forestier, zones inondables, lignes électriques.
• Expertise et sinistres : documenter une scène ou un sinistre en l’état.

Tableau récapitulatif

Comment commander un relevé LiDAR

Chez LAURIA ESCÁNER, nous ne vendons pas de matériel : nous réalisons la prestation complète. Nous relevons au scanner terrestre, en SLAM ou par drone selon ce qu’il faut mesurer, nous traitons et consolidons le nuage, et nous le livrons toujours en formats ouverts ; les plans, la maquette BIM ou le jumeau numérique, selon la commande. Nous sommes basés à Madrid et intervenons dans toute l’Europe, France comprise.

Si vous avez un bâtiment, une usine ou un terrain à mesurer, dites-nous à quoi servira le relevé et avec quelle précision : nous vous dirons quel type de LiDAR convient et lequel est superflu.